CC BY
0
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
New materials and technology
УДК 620.179.118.2 DOI 10.25960/mo.2020.5-6.35
О шероховатости поверхности газолазерного реза наплавленной быстрорежущей стали
В. В. Измайлов, М. В. Новоселова, Д. А. Барчуков
Тверской государственный технический университет, Тверь, Россия
Представлены результаты исследования шероховатости поверхностей стальных образцов после газолазерной резки. Проведена оценка высотных и шаговых параметров шероховатости и показано их неравномерное распределение по толщине образца. Вид опорных кривых свидетельствует о симметричном распределении материала по высоте шероховатого слоя, т. е. на поверхности отсутствуют аномально высокие выступы и аномально глубокие впадины.
Ключевые слова: шероховатость, высотные параметры, шаговые параметры, поверхность газолазерного реза, быстрорежущая сталь.
Введение
Газолазерная резка считается перспективным видом разделения материала. Поскольку одним из важных показателей качества поверхности деталей после того или иного вида обработки является шероховатость, исследованию ее параметров после газолазерной резки в последнее время уделяется большое внимание [1—5].
Цель работы — исследование шероховатости поверхности газолазерного реза быстрорежущей стали, наплавленной на конструкционную сталь. Работа продолжает цикл исследований поверхностей, полученных в результате газолазерной резки различных стальных материалов [6-10].
Материалы и метод исследования
На заготовку из среднеуглеродистой низколегированной стали 30ХГСА выполнили одно-валиковую наплавку порошковой проволокой, по химическому составу близкой к быстрорежущей стали Р9М4К8. Наплавку проводили порошковой проволокой в защитной среде аргона на обратной полярности дугой прямого
действия на следующих режимах: сила тока 180-190 А; напряжение 21-22 В; скорость наплавки 12 м/ч.
Газолазерную резку двухслойного стального материала выполняли на технологическом лазерном комплексе Ву8ргШ 3015 компании Вув^отс на режимах: мощность излучения 4400 Вт; скорость резки 800 мм/мин; давление вспомогательного газа азота 1,4 МПа.
Лазерный луч входил в слой наплавленной быстрорежущей стали толщиной 2,5 мм, а выходил из слоя конструкционной стали. Структура рельефа по глубине реза однородна, несмотря на то что образец состоял из двух слоев сталей разного химического состава.
Результаты и их обсуждение
Представлены результаты исследования поверхности реза двух образцов, полученных в одинаковых условиях.
Количественную оценку параметров шероховатости, описанных ниже, определяли согласно ГОСТ Р ИСО 4287-2014, ГОСТ 2789-73 с изменением от 01.10.2017 г., ГОСТ 25142-82 с изменением от 30.01.2017 г. Для детального исследования шероховатости поверхностей
METAMbPJ^KA
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
реза были записаны профилограммы с помощью профилографа-профилометра на длине оценивания 7 мм, ориентированной параллельно поверхности образца на различных расстояниях х от верхней кромки реза: 0,5; 1; 2 и 5 мм.
В качестве высотных параметров шероховатости определяли стандартные параметры: среднее арифметическое отклонение профиля Яа, среднюю высоту элементов профиля Яе и нестандартный параметр — среднюю высоту неровностей профиля по десяти точкам Яюг (бывший параметр Яг).
Параметр Яг много лет использовался в качестве одной из основных характеристик
шероховатости поверхности, к настоящему времени накоплен большой объем статистических данных по этому параметру для различных видов обработки поверхностей. Было решено использовать параметр Яг, чтобы сравнивать шероховатость исследованных поверхностей с шероховатостью после других видов обработки поверхности [11].
Поскольку параметр Яе в некоторой степени заменяет прежний широко распространенный параметр Яг, нами была произведена оценка соотношения этих параметров для исследованных поверхностей. Результаты оказались следующими: Яг/Яе = 1,36 ± 0,09 и Яг/Яе = 1,42 ± 0,09 для образцов № 1 и № 2
Ra, мкм 5
-1
-2
-3
-4
-5 х, мм
Rc, мкм 10 15 20 25
15
Rl02, мкм 25
35
-1
-2
-3
-4
-5
х, мм
-1
-2
-3
-4
-5
х, мм
200
-1
-2
-3
-4
-5
х, мм
RSm, мкм
300 т-1-г
400
—I
Rc/RSm 0,04 0,06 0,08
0 -1
-2 -3 -4 -5
х, мм
Рис. 1. Распределение параметров шероховатости по толщине образцов:
♦ — образец № 1; ■ — образец № 2
Fig. 1. Distribution of roughness parameters over the sample thickness:
♦ — sample N 1; ■ — sample N 2
3
7
0
0
0
NEW MATERIALS AND TECHNOLOGY
E ТАЛ Л О ОБРА Б0 T Ki
соответственно. Как и следовало ожидать, параметр Яг несколько больше параметра Яе, поскольку первый рассчитан на основании пяти наиболее высоких выступов и пяти наиболее глубоких впадин, а второй — для всех элементов профиля.
Помимо высотных параметров для исследованных поверхностей определяли шаговый параметр ЯБш — среднюю ширину элементов профиля.
Изменение вышеперечисленных параметров по толщине образца наглядно представлено на рис. 1. Ось ординат направлена от верхней кромки образца к нижней. В целом шероховатость поверхности убывает по мере приближения к нижней кромке образца. При этом высотные параметры изменяются более существенно, чем шаговый параметр ЯБш. Минимальное и максимальное значения высотных параметров различаются почти в 2 раза, шагового параметра — в 1,5 раза.
Из этого следует, что средние по толщине образца значения параметров не дают исчерпывающей информации о шероховатости поверхности, более полное и наглядное представление о качестве поверхности можно составить на основании графических зависимостей, подобных рис. 1.
Отдельно следует остановиться на физическом смысле параметра Яе/ЯБш. Он характеризует форму неровностей шероховатой поверхности, а именно — средний наклон профиля поверхности. Чем больше значение этого параметра, тем больше угол наклона профиля и тем острее форма неровностей шероховатости. Из рис. 1 видно, что у верхней кромки образца неровности шероховатости более острые, чем у нижней.
Помимо числовых показателей, определяющих отдельные геометрические параметры шероховатости, информативной интегральной характеристикой шероховатости является кривая коэффициента смятия профиля, известная также как кривая Эбботта — Файрстоуна, или опорная кривая. Она дает наглядное представление о распределении материала по высоте шероховатого слоя и является интегральной функцией вероятности ординат профиля шероховатости в пределах длины оценивания.
Для исследованных поверхностей соответствующие опорные кривые представлены на
p
0,8 0,6 0,4 0,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 tp
Рис. 2. Опорные кривые поверхности реза образца № 1:
♦ — х = 0,5 мм; ◊ — х = 1,0 мм
Fig. 2. Reference curves of the sample cut surface N 1:
♦ — х = 0,5 mm; ◊ — х = 1,0 mm
рис. 2 в виде зависимостей p = f(tp), где p — значение уровня сечения профиля; tp — относительная опорная длина профиля. Форма опорных кривых свидетельствует о практически симметричном распределении материала по высоте шероховатого слоя. Можно заключить, что на поверхности отсутствуют аномально высокие выступы и аномально глубокие впадины. Такие поверхности обладают повышенными жесткостью и износостойкостью, хорошей маслоемкостью, т. е. имеют совокупность положительных эксплуатационных свойств.
Этот вывод подтверждается значениями еще одного параметра микрогеометрии
1 Rp
ц = 1 - -j^-, предложенного авторами статьи
[12]. Здесь Rp — максимальная высота пика профиля, Rt — общая высота профиля. Значения этого параметра профиля поверхности реза: ц = 0,50 и Ц2 = 0,52, где нижний индекс указывает номер образца, близки к величине ц = 0,5, соответствующей симметричному профилю.
Заключение
Шероховатость поверхности стали после газолазерной резки меняется по глубине
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
реза, уменьшаясь от верхней кромки образца к нижней. При этом шаговый параметр шероховатости RSm изменяется меньше, чем высотные параметры: минимальное и максимальное значения высотных параметров различаются почти в 2 раза, тогда как шагового параметра — только в 1,5 раза. Поэтому для более полной характеристики качества поверхности полезно наряду с усредненными значениями параметров шероховатости приводить их распределение по поверхности реза.
Литература
1. Дьяченко Ю. В., Коллеров В. В., Воронько И. А., Гарин В. О., Трифонов О. В. Минимизация шероховатости поверхности лазерного реза методом рототабель-ного планирования // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. 2018. № 79. С. 53-61.
2. Фомин В. М., Голышев А. А., Маликов А. Г., Оришич А. М., Шулятьев В. Б. Механические характеристики высосокачественной лазерной резки стали волоконными и СО2-лазерами // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т. 56, № 4. С. 215-225. DOI: 10.15372/PMTF20150420
3. Минаев И. В., Сергеев Н. Н., Тихонова И. В., Гвоздев А. Е., Хонелидзе Д. М., Голышев И. В. Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 3. С. 50-58.
4. Karatas C., Keles O., Uslan I., Usta Y. Laser cutting of steel sheets: Influence of workpiece thickness and beam waist position on kerf size and stria formation. Journal of Materials Processing Technology. 2006. Vol. 172 (1). P. 22-29.
5. Kovalev O. B., Yudin P. V., Zaitsev A. V. Modeling of flow separation of assist gas as applied to laser cutting of thick sheet metal. Applied Mathematical Modelling. 2009. Vol. 33 (9). P. 3730-3745.
6. Афанасьева Л. Е., Барабонова И. А., Зоренко П. О., Зубков Н. С., Гречишкин Р. М., Новоселова М. В. Шероховатость поверхности газолазерного реза инструментальной стали // Высокие технологии, исследования, промышленность: сб. тр. 9-й Междунар. науч.-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». СПб., 2010. Т. 4. С. 179-183.
7. Афанасьева Л. Е., Елицкий М. Н., Зубков Н. С., Новоселова М. В. Качество поверхности стали Р6М5 после газолазерной резки // Материаловедение и надежность триботехнических систем: материалы регион. науч.-техн. конф. Иваново, 2009. С. 107-111.
8. Афанасьева Л. Е., Елицкий М. Н., Зубков Н. С., Новоселова М. В. Качество поверхности наплавленной быстрорежущей стали после газолазерной резки / / Вестник Тверского государственного технического университета. 2007. № 12. С. 114-116.
9. Афанасьева Л. Е., Новоселова М. В. Микрогеометрия поверхности газолазерного реза стали // Само-
развивающаяся среда технического вуза: научные исследования и экспериментальные разработки: материалы Всерос. науч.-практ. конф. Ч. 2. 2016. С. 96-101.
10. Югов В. И., Афанасьева Л. Е., Новоселова М. В. Особенности формирования структуры и микрогеометрии поверхности лазерных наплавок с использованием многоканального СО2-лазера // Упрочняющие технологии и покрытия. 2016. № 11 (143). С. 19-22.
11. Измайлов В. В., Афанасьева Л. Е., Новоселова М. В. Топография поверхности стали после лазерного воздействия // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования: межвуз. сб. науч. тр. Тверь: ТвГТУ, 2020. Вып. 13. С. 4-10.
12. Измайлов В. В., Новоселова М. В. Об одном нестандартном параметре профиля шероховатой поверхности // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия «Технические науки». 2020. № 3 (7). С. 5-12.
References
1. D'yachenko Y. V., Kollerov V. V., Voron'ko I. A., Garin V. O., Trifonov O. V. Roughness minimization of the laser cut surface by rotatable planning method. Open information and computer integrated technologies, 2018, no 79, pp. 53-61. (In Russ.)
2. Fomin V. M., Golyshev A. A., Malikov A. G., Orishich A. M., Shulyatiev V. B. Mechanical characteristics of high-quality laser cutting of steel by fiber and СО2-lasers. Applied mechanics and technical physics, 2015, vol. 56, no 4, pp. 215-225. (In Russ.) DOI: 10.15372/ PMTF20150420
3. Minaev I. V., Sergeyev N. N., Tikhonova I. V., Gvozdev A. E., Khonelidze D. M., Golyshev I. V. Influence of laser cutting parameters on the cut surface quality of steel sheets. Izvestiya of Tula State University. Technical sciences, 2014, vol. 3, pp. 50-58. (In Russ.)
4. Karatas C., Keles O., Uslan I., Usta Y. Laser cutting of steel sheets: Influence of workpiece thickness and beam waist position on kerf size and stria formation. Journal of Materials Processing Technology, 2006, vol. 172 (1), pp. 22-29.
5. Kovalev O. B., Yudin P. V., Zaitsev A. V. Modeling of flow separation of assist gas as applied to laser cutting of thick sheet metal. Applied Mathematical Modelling, 2009, vol. 33 (9), pp. 3730-3745.
6. Afanasieva L. E., Barabonova I. A., Zorenko P. O., Zubkov N. S., Grechishkin R. M., Novosyolova M. V. Surface roughness of the gas-laser cut of tool steel. High technologies, researches, industry: collection of the papers of 9th International scientific-practical conference „Research, development and application of high technologies in industry". Saint Petersburg, 2010, vol. 4, pp. 179-183. (In Russ.)
7. Afanasieva L. E., Elitsky M. N., Zubkov N. S., Novosyolova M. V. Quality of P6M5 steel surface after gas-laser cutting. Materials engineering and reliability of tribotechnical systems: Regional scientific-technical conference proceedings. Ivanovo, 2009, pp. 107-111. (In Russ.)
8. Afanasieva L. E., Elitsky M. N., Zubkov N. S., Novosyolova M. V. Surface quality of deposited high-
NEW MATERIALS AND TECHNOLOGY
E ТАЛ Л О ОБРА Б0 T Ki
speed steel after gas-laser cutting. Vestnik of Tver State Technical University. 2007, no 12, pp. 114-116. (In Russ.)
9. Afanasieva L. E., Novosyolova M. V. Microgeometry of the surface of gas-laser cut of steel. Self-developing environment of a technical university, scientific research and experimental development: All-Russian scientific-practical conference proceedings, pt. 2, 2016, pp. 96-101. (In Russ.)
10. Yugov V. I., Afanasieva L. E., Novosyolova M. V. Features of formation of the structure and microgeometry of the surface of laser surfacings using multichannel C02-laser. Strengthening technologies and coatings, 2016, no 11 (143), pp. 19-22. (In Russ.)
11. Izmailov V. V., Afanasieva L. E., Novosyolova M. V. Topography of the steel surface after laser impact. Mechanics and physics of processes on the surface and in contact of solids, parts of technological and power equipment: Interuniversity collection of scientific papers. Tver: Tver State Technical University, 2020, vol. 13, pp. 4-10. (In Russ.)
12. Izmailov V. V., Novosyolova M. V. About one non-standard parameter of the rough surface profile. Vestnik of Tver State Technical University. Series „Technical sciences", 2020, no 3 (7), pp. 5-12. (In Russ.)
Сведения об авторах
Измаилов Владимир Васильевич — доктор технических наук, профессор кафедры прикладной физики, Тверской государственный технический университет, 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, д. 22, e-mail: iz2v@tvcom.ru
Новоселова Марина Вячеславовна — кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной физики, Тверской государственный технический университет, 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, д. 22, e-mail: novo selova .tgtu@undex.ru
Барчуков Дмитрий Анатольевич — кандидат технических наук, заведующий кафедрой прикладной физики, Тверской государственный технический университет, 170026, Тверь, наб. Афанасия Никитина, д. 22, e-mail: bda@mail.ru
Для цитирования: Измайлов В. В., Новоселова М. В., Барчуков Д. А. О шероховатости поверхности газолазерного реза наплавленной быстрорежущей стали. Металлообработка, 2020, № 5-6, с. 35-39. DOI 10.25960/ mo.2020.5-6.35
УДК 620.179.118.2 DOI 10.25960/mo.2020.5-6.27
On the roughness of the gas-laser cut surface of high-speed steel
V. V. Izmailov, M. V. Novoselova, D. A. Barchukov
Tver State Technical University, Tver, Russian
The results of the study of the surface roughness of steel samples after gas laser cutting are presented. The estimation of the values of height and spacing parameters of roughness is carried out and their unequal distribution over the thickness of the sample is shown. The shape of the bearing curves indicates a symmetric distribution of the material along the height of the rough layer, that is, there are no abnormally high peaks and abnormally deep valleys on the surface.
Keywords: roughness, height parameters, spacing parameters, gas-laser cut surface, high-speed steel. Information about the authors
Vladimir V. Izmailov — Doctor of Engineering Sciences, Professor at the Departament of Applied Physics, Tver State Technical University, 22, Afanasij Nikitin emb., Tver, 170026, Russia, e-mail: iz2v@tvcom.ru
Marina V. Novoselova — Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor at the Departament of Applied Physics, Tver State Technical University, 22, Afanasij Nikitin emb., Tver, 170026, Russia, e-mail: novoselova.tgtu@ undex.ru
Dmitriy A. Barchukov — Candidate of Engineering Sciences, Head of the Departament of Metall Technology and Materials Science, Tver State Technical University, 22, Afanasij Nikitin emb., Tver, 170026, Russia, e-mail: bda@ mail.ru
For citation: Izmailov V. V., Novoselova M. V., Barchukov D. A. On the roughness of the gas-laser cut surface of high-speed steel. Metalloobrabotka, 2020, no 5-6, pp. 35-39. DOI 10.25960/mo.2020.5-6.35
